EP0392172B1 - Laser-Radar-System - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Laser-Radar-Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 2.
• Laser-Radar-Verfahren und Vorrichtungen zur Geschwindigkeitsmessung bewegter Objekte mittels eines Laser-Sendestrahles gehen davon aus, daß die Frequenz des vom Objekt zurückgestreuten Laserlichtes eine Doppler-Verschiebung erfährt, aus deren Größe sich die Geschwindigkeit des angestrahlten Objektes bestimmen läßt.
• Es ist bekannt, Laser-Radar-Systeme zur Geschwindigkeitsbestimmung bewegter Objekte entweder heterodyn oder homodyn zu betreiben.
• Heterodyne und homodyne Laser-Radar-Systeme sind beispielsweise in einer Zusammenfassung von Robert J. Keyes in der Zeitschrift Review of Scientific Instruments 57 (4), April 1986 auf den Seiten 519 bis 528 beschrieben. Eine homodyne Vorrichtung und eine homodyne Vorrichtung mit Frequenzversatz zur Geschwindigkeitsmessung sind in der Figur 1 und der dazugehörigen Beschreibung des genannten Berichtes näher erläutert.
• Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus US-A 3,732,013 bekannt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laser-Radar-Vorrichtung anzugeben, die geeignet ist zur Detektion von bewegten und unbewegten Objekten und zur Entfernungsmessung, die einen geringeren Geräteaufwand und weniger Justierarbeit als die bekannten Vorrichtungen erfordert.
• Diese Aufgabe wird durch Laser-Radar-Vorrichtungen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtungen sind in den Patentansprüchen 3 bis 10 beschrieben.
• Bei dieser Rückkopplung des vom Objekt reflektierten Laserlichtes über das Teleskop in den Laser-Resonator ist im Falle eines bewegten Objektes ein Mischsignal auf den Überlagerungsempfänger beobachtbar, dessen Frequenz Δf gemäß $${\text{Δf = 2 f}}_{\text{o}}\text{·}\frac{\text{v}}{\text{c}}$$

  
• f_o - Laserfrequenz
• v - Objektgeschwindigkeit
• c - Lichtgeschwindigkeit
gegeben ist. Durch die Wechselwirkung des rückgestreuten Signals mit laseraktivem Medium und Resonator kommt es zu einem Verstärkungseffekt, der gegenüber dem üblichen Aufbau nach dem Stand der Technik eine verbesserte Empfindlichkeit ermöglicht.
• Die Empfangsbandbreite des Signals ist gegeben durch die Verstärkungsbandbreite des aktiven Mediums - bei einem Gaslaser im wesentlichen durch den Druck bestimmt - und die Bandbreite des optischen Resonators, die durch die Finesse f charakterisiert wird.

  

  R_o, R_g sind effektive Reflektivitäten, in denen Intracavity Verluste des Laserresonators enthalten sind.
• Die Bandbreite des optischen Resonators kann bei Berücksichtigung höherer transversaler als auch longitudinaler Moden höher sein als durch das einfache Modell der Finesse berechnet wird. Dies kann für Homodynempfang mit Frequenzversatz ausgenutzt werden.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen

Figur 1

die schematische Darstellung eines Laser-Radar-Systems zur Geschwindigkeitsmessung bewegter Objekte nach dem Stand der Technik;

Figur 2

die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Laser-Radar-Systems zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren;

Figur 3

eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Laser-Radar-Systems.

• In der Darstellung der Figur 1 ist mit dem Bezugszeichen (1) ein Laser bezeichnet. Dieser sendet einen Laserstrahl (2) in Richtung des Objektes (3) aus. Von einem Strahlteilelement (4) wird ein kleiner Teil (2a) des Laserlichtes abgezweigt und gelangt als Lokaloszillatorstrahl über einen weiteren Strahlteiler (5) auf einen als Überlagerungsempfänger ausgeführten Detektor (6). Mit dem Restteil (2b) des Lasersendelichtes wird das Objekt (3) beleuchtet. Das vom Objekt zurückgestreute Laserlicht (2c) wird über eine Strahlweiche (7), einen Umlenkspiegel (8) und das teildurchlässige Element (5) auf den Überlagerungsempfänger (6) gelenkt und überlagert sich mit dem Lokaloszillatorstrahl (2a) und erzeugt das Überlagerungssignal, dessen Frequenz proportional der Geschwindigkeit des Objektes (3) ist. Mit (9) ist ein Frequenzshifter bezeichnet, der beispielsweise als Bragg-Zelle ausgebildet sein kann, und mit (10) ein Teleskop.
• In der schematischen Darstellung der Figur 2 ist mit (1) wieder ein Laser bezeichnet, mit (6) ein Überlagerungsempfänger, mit (9) ein Frequenzshifter, mit (11) ein λ/4-Phasenschieber, mit (10) ein Teleskop und mit (3) das Objekt. Das vom Objekt (3) zurückgestrahlte Laserlicht gelangt in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht außerhalb des Laser-Resonators auf den Detektor, sondern es wird in den Laser-Resonator (1) zurückgekoppelt bevor es auf den Detektor (6) gelangt. Durch die Wechselwirkung des rückgestreuten Signals mit dem laseraktiven Medium (1a) und dem Resonator kommt es zu einem Verstärkungseffekt, der gegenüber dem in Figur 1 dargestellten Aufbau ein besseres Signal/Rauschverhältnis ermöglicht. Entsprechend den in den Unteransprüchen 4-16 beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung kann vor dem Überlagerungsempfänger (6) ein Polarisator (15) angeordnet sein, die Auskoppelelemente (12) und (13) können auf der Senderseite als Auskoppelspiegel und auf der Überlagerungsempfängerseite als polarisationsselektives Element ausgebildet sein. Der im Sendestrahl (2) angeordnete Frequenzshifter kann vorteilhafterweise als Bragg-Zelle ausgebildet sein. Zwischen dem Frequenzshifter (9) und dem Teleskop (10) können ein λ/4-Phasenschieber (11) und ein Scanner (14) vorgesehen sein.
• In der in Figur 3 dargestellten perspektivischen Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind für die einzelnen Bauelemente die gleichen Bezeichnungen gewählt wie in der Darstellung der Figur 2.

Claims (10)

1. Laser-Radar-Vorrichtung zur Detektion unbewegter oder bewegter Objekte und zur Geschwindigkeitsmessung, die einen optischen Überlagerungsempfänger (6), einen aus einem laseraktiven Medium (1a) und einem Resonator mit mindestens zwei Auskoppelelementen (12, 13) bestehenden Laser (1) und ein Teleskop (10) aufweist, wobei das Objekt (3) voneinem Laser-Sendestrahl (2) beleuchtet und das vom Objekt reflektierte Laserlicht (2c) mit dem optischen Überlagerungempfänger (6) detektiert wird, wobei das reflektierte Licht (2c) durch den Laser-Resonator (1a, 12, 13), durch einen außerhalb des Resonators vor dem Überlagerungsempfänger (6) vorgesehenen Polarisator (15) und auf den Überlagerungsempfänger (6) gelenkt wird,
   dadurch gekennzeichnet, daß im Laser-Resonator ein optisches Element (12) vorgesehen ist, das die Polarisationsrichtung des Laserlichtes definiert, und daß im Verlauf des Laser-Sendestrahls (2) ein λ/4-Phasenschieber (11) positioniert ist.
2. Laser-Radar-Vorrichtung, die einen optischen Überlagerungsempfänger (6), einen aus einem laseraktiven Medium (1a) und einem Resonator mit mindestens zwei Auskoppelelementen (12, 13) bestehenden Laser (1) und ein Teleskop (10) aufweist, wobei das Objekt (3) von einem Laser-Sendestrahl (2) beleuchtet und das vom Objekt reflektierte Laserlicht (2c) mit dem optischen Überlagerungsempfänger (6) detektiert wird, wobei das reflektierte Licht (2c) durch den Laser-Resonator (1a, 12, 13), durch einen vor dem Überlagerungsempfänger vorgesehenen Polarisator (15) und auf den Überlagerungsempfänger (6) gelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Entfernungsmessung unbewegter oder bewegter Objekte und zur Geschwindigkeitsmessung ausgeführt ist, daß im Laser-Resonator ein optisches Element (12) vorgesehen ist, das die Polarisationsrichtung des Laserlichtes definiert, daß im Verlauf des Laser-Sendestrahls (2) ein λ/4-Phasenschieber (11) positioniert ist und daß dem Laser-Sendestrahl (2) eine Frequenzmodulation aufgeprägt wird.
3. Laser-Radar-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten des Objektes (3) der Laser-Sendestrahl (2) und das vom Objekt reflektierte Laserlicht (2c) kollinear über eine Scan-Vorrichtung (14) geführt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein polarisationsselektives Auskoppelelement (12) vorgesehen ist, das für verschiedene Polarisationsrichtungen der Laserstrahlung unterschiedliche Reflektivität und Transmission aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Auskoppelelemente (12, 13) ein Reflexionsgitter in Littrow-Anordnung ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlagerungsempfänger (6) hinter dem polarisationsselektiven Auskoppelelement (12) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmission des Laser-Resonators auf der Seite des Überlagerungsempfängers (6) so gewählt ist, daß dieseran der Quantenrauschgrenze und unterhalb der Sättigung betrieben werden kann.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf des Lasersendestrahls (2) eine Braggzelle (9) vorgesehen ist, die dem vom Objekt in den Laser zurückreflektierten Licht (2c) einen Frequenzoffset aufprägt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelte Modulationsfrequenz der Braggzelle (9) so gewählt ist, daß sie der Eigenfrequenz eines höheren transversalen oder longitudinalen Mode des optischen Resonators entspricht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Laserlichtquelle ein CO₂-Laser vorgesehen ist.

Images